Fenómenos y aplicaciones
Quien grita frente a un cerro de los Andes oye su propia voz un instante después. En casa, la señal del wifi llega al cuarto de al lado aunque el router quede escondido tras la pared. Y desde el pasillo oyes la televisión de la sala sin ver la pantalla. ¿Qué tienen en común el eco, el wifi y el sonido que «dobla la esquina»? Son comportamientos que comparten todas las ondas: se reflejan, se refractan y se difractan.
Reflexión
La normal es la recta perpendicular a la superficie en el punto donde llega el rayo. Los dos ángulos se miden desde la normal, no desde la superficie.
Puedes verlo también con el modelo de onda mecánica. Si sacudes una vez el extremo de una cuerda o de un resorte largo, viaja un pulso. Cuando el pulso llega a un extremo fijo, rebota y vuelve por la misma cuerda: se refleja y regresa al mismo medio. El eco del sonido es el mismo comportamiento, solo que el pulso viaja por el aire y rebota en el cerro.
El eco y el sonar son reflexión del sonido. Como el sonido va hasta el obstáculo y vuelve, recorre dos veces la distancia $d$:
$$2d = v \cdot t$$Un excursionista grita frente a la pared vertical de un acantilado y oye el eco $1,6\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$). El esquema…
Un excursionista grita frente a la pared vertical de un acantilado y oye el eco $1,6\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$). El esquema representa el recorrido del sonido.
- a) Explica por qué se produce el eco, nombrando el fenómeno ondulatorio responsable.
- b) Teniendo en cuenta que el sonido recorre dos veces la distancia a la pared, calcula a qué distancia está el acantilado.
Un rayo de luz incide sobre un espejo plano formando un ángulo de $35^\circ$ con la normal. La figura muestra el rayo incidente. a) Enuncia las dos leyes de la…
Un rayo de luz incide sobre un espejo plano formando un ángulo de $35^\circ$ con la normal. La figura muestra el rayo incidente.
- a) Enuncia las dos leyes de la reflexión.
- b) Determina el ángulo de reflexión y el ángulo que forma el rayo reflejado con la superficie del espejo.
El sonar de un buque oceanográfico emite un pulso de ultrasonido de $50\ \text{kHz}$ hacia el fondo marino y el eco regresa $0,8\ \text{s}$ después (velocidad del sonido…
El sonar de un buque oceanográfico emite un pulso de ultrasonido de $50\ \text{kHz}$ hacia el fondo marino y el eco regresa $0,8\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el agua: $1500\ \text{m/s}$). El esquema muestra el recorrido del pulso.
- a) Calcula la profundidad del fondo, recordando que el pulso hace un recorrido de ida y vuelta.
- b) Calcula la longitud de onda del pulso en el agua y exprésala en centímetros.
Refracción
Una cuchara en un vaso de agua parece quebrada en la superficie. ¿Por qué se desvía la luz al pasar de un medio a otro?
El periodo $T$ es el tiempo que tarda en pasar una onda completa por un punto, y se relaciona con la frecuencia así: $T = 1/f$ (y $f = 1/T$). Por ejemplo, si $f = 5\ \text{Hz}$, entonces $T = 1/5 = 0{,}2\ \text{s}$.
Una forma de entender el desvío: cuando el frente de onda llega inclinado, el extremo que entra primero se frena antes que el resto, y todo el frente gira.
También lo puedes ver con una cuerda. Une una cuerda delgada con otra más gruesa y envía un pulso por la delgada. Al llegar a la unión, una parte del pulso se refleja y regresa, y otra parte pasa a la cuerda gruesa, donde viaja con distinta rapidez y con otra longitud de onda, aunque la frecuencia sigue siendo la que impone la mano. Esa parte que pasa es la onda refractada.
Un rayo de luz pasa del aire al agua y se observa que se acerca a la normal. a) ¿Qué fenómeno ondulatorio ha experimentado el rayo? Defínelo. b) Indica qué magnitud de…
Un rayo de luz pasa del aire al agua y se observa que se acerca a la normal.
- a) ¿Qué fenómeno ondulatorio ha experimentado el rayo? Defínelo.
- b) Indica qué magnitud de la onda no cambia al pasar de un medio a otro y cuáles sí cambian (velocidad de propagación y longitud de onda). Justifica por qué la frecuencia se conserva en el cambio de medio.
La sonda Voyager 1 es el objeto construido por el ser humano más alejado: una señal de radio enviada desde la Tierra tarda $22,5\ \text{h}$ en alcanzarla (dato:…
La sonda Voyager 1 es el objeto construido por el ser humano más alejado: una señal de radio enviada desde la Tierra tarda $22,5\ \text{h}$ en alcanzarla (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).
- a) Expresa el tiempo en segundos y calcula la distancia a la sonda, dando el resultado en notación científica.
- b) Razona por qué la comunicación con las sondas espaciales se realiza con ondas electromagnéticas y no con ondas sonoras, aludiendo a la naturaleza de cada tipo de onda.
- c) Suponiendo, de forma idealizada, que la señal de radio se refleja en la sonda y regresa a la Tierra, el eco de un sonar y esa señal de vuelta son manifestaciones del mismo fenómeno ondulatorio: identifícalo y describe en qué consiste.
Difracción
Desde el pasillo oyes la televisión aunque no veas la pantalla. ¿Cómo «dobla la esquina» el sonido?
Desde el pasillo se oye la televisión de la sala aunque no se vea la pantalla. El plano de la vivienda esquematiza la situación. a) ¿Qué fenómeno ondulatorio permite que…
Desde el pasillo se oye la televisión de la sala aunque no se vea la pantalla. El plano de la vivienda esquematiza la situación.
- a) ¿Qué fenómeno ondulatorio permite que el sonido «doble la esquina»?
- b) Razona, comparando el ancho de la puerta con las longitudes de onda típicas del sonido (del orden de $1\ \text{m}$) y de la luz (del orden de $5 \cdot 10^{-7}\ \text{m}$), por qué el sonido se difracta apreciablemente en la puerta y la luz no.
Un router doméstico emite su señal wifi en la banda de $2,4\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$). a) Calcula la longitud de onda de la señal y exprésala…
Un router doméstico emite su señal wifi en la banda de $2,4\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).
- a) Calcula la longitud de onda de la señal y exprésala en centímetros.
- b) Compárala con el ancho de una puerta ($0,8\ \text{m}$) y razona, nombrando el fenómeno ondulatorio responsable, por qué hay cobertura en el cuarto contiguo aunque no exista línea de vista directa con el router.
Un oleaje de longitud de onda $8\ \text{m}$ y velocidad $4\ \text{m/s}$ llega a la bocana de un puerto, una abertura de $10\ \text{m}$ entre dos espigones. La figura…
Un oleaje de longitud de onda $8\ \text{m}$ y velocidad $4\ \text{m/s}$ llega a la bocana de un puerto, una abertura de $10\ \text{m}$ entre dos espigones. La figura muestra la bocana vista desde arriba, con los frentes de ola que llegan.
- a) Calcula el período y la frecuencia del oleaje.
- b) Razona, comparando la abertura con la longitud de onda, si el oleaje se difractará al entrar y cómo afectará a las barcas fondeadas detrás de los espigones.
- c) ¿Cambiaría la situación si la abertura fuera de $100\ \text{m}$? Justifícalo.
Un router emite en dos bandas de frecuencia: $2,4\ \text{GHz}$ y $5\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$). a) Calcula la longitud de onda de cada banda,…
Un router emite en dos bandas de frecuencia: $2,4\ \text{GHz}$ y $5\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).
- a) Calcula la longitud de onda de cada banda, en centímetros.
- b) Razona, a partir del fenómeno de la difracción, qué banda rodea mejor los obstáculos domésticos (puertas, muebles) y, considerando también la absorción en los materiales, cuál atraviesa mejor las paredes.
- c) Los fabricantes recomiendan usar la banda de $5\ \text{GHz}$ solo cerca del router, aunque permite mayor velocidad de datos: relaciónalo con lo calculado en los apartados anteriores.
Aplicaciones
Vuelve al principio: el eco es reflexión del sonido, el sonido de la televisión que «dobla la esquina» y el wifi que llega a habitaciones sin línea de vista con el router se explica en parte por difracción por puertas y huecos (además de atravesar las paredes): la difracción ocurre porque la longitud de onda es comparable al tamaño de la abertura.